KR19990047967A - 바이어스 안정화 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이어스 안정화 회로에 관한 것으로, 특히 전계 효과 트랜지스터를 이용한 고주파 집적회로의 제작에 있어서 제작 공정 중에 발생하는 소자 변수의 변동, 전원 전압 및 온도 변화에 따른 증폭용 트랜지스터의 전류 변동을 최소화 하기 위한 바이어스 안정화 회로에 관한 것이다.
종래의 전류 복재형 바이어스 회로에서는 게이트 바이어스 전압 발생용 기준 트랜지스터의 드레인-소오스 전압이 드레인 포화 전압 이하의 낮은 전압에서 동작하는 반면, 증폭용 트랜지스터의 드레인-소오스 전압은 드레인 포화 전압 이상의 높은 전압에서 동작하는 구조로 되어 있어 증폭용 트랜지스터의 전류를 조절하는데 어려움이 있다.
본 발명에서는 기준 전압 발생용 트랜지스터의 드레인 단자와 게이트 단자 사이에 레벨 이동 회로를 구성함으로써 위와 같은 문제점을 해결하였고, 공핍형 트랜지스터와 직렬 궤환 저항을 사용한 정 전류원을 기준 전류로 사용함으로써 소자 변수의 변동은 물론이고 온도 및 전원 전압의 변동에도 안정적이도록 회로를 구성하였다.

Description

바이어스 안정화 회로
본 발명은 바이어스 안정화 회로에 관한 것으로, 특히 전계 효과 트랜지스터를 이용한 고주파 집적회로의 제작에 있어서 제작 공정 중에 발생하는 소자 변수의 변동, 전원 전압 및 온도 변화에 따른 증폭용 트랜지스터의 전류 변동을 최소화 하기 위한 바이어스 안정화 회로에 관한 것이다.
전계 효과 트랜지스터를 이용하는 고주파 집적회로에 있어서 능동 소자로 사용되는 전계 효과 트랜지스터의 고주파 소신호 특성은 전류에 의해 크게 결정되므로 전류를 일정하게 하는 바이어스 안정화 회로가 필수적이다. 따라서 제조 공정상 나타나는 소자 특성의 변동 뿐 아니라 동작시의 온도 변화에 따른 소자의 특성 변동을 최소화 하기 위하여 드레인 전류를 일정하게 하는 바이어스 안정화 회로가 많이 제안되어 사용되고 있다. 가장 대표적인 방법으로는 세 가지를 들 수 있는데 도면을 통하여 설명하고자 한다.
도 1 내지 도 3은 종래의 기술에 의한 바이어스 안정화 회로도이다.
도 1은 출력 전압을 입력단으로 부궤환 시켜 드레인 전류를 안정화 하는 전압 궤환형 바이어스 안정화 회로이다. 증폭용 트랜지스터(101)의 게이트 전압은 증폭용 트랜지스터(101)의 드레인 전압으로부터 저항(111 및 112)를 통해 분배되어 공급되며, 증폭용 트랜지스터(101)의 특성 변화로 인해 전류가 증가하려 하면 부하 저항(121)의 전압 강하가 증가한다. 따라서 출력 전압이 떨어지며 이에 따라 증폭용 트랜지스터(101)의 게이트 전압이 낮아져 증폭용 트랜지스터(101)의 드레인 전류를 낮추는 동작을 통하여 드레인 전류의 변동을 줄이는 효과를 가진다. 이러한 안정화 회로는 바이어스 회로가 부하 저항과 병렬로 연결되어 증폭도를 떨어뜨리는 단점이 있다.
도 2는 증폭용 트랜지스터(201)의 드레인 전류 변화를 게이트 전압으로 부궤환 시켜 드레인 전류를 안정화 하는 전류 궤환형 바이어스 안정화 회로이다. 증폭용 트랜지스터(201)의 게이트 전압은 분배 저항(211 및 212)에 의해 일정한 전압으로 정해져 있으며 증폭용 트랜지스터(201)의 특성 변화로 인해 전류가 증가하려 하면 소오스단에 직렬 연결된 저항(213) 양단의 전압이 증가한다. 따라서 소오스 전압은 높아지는 반면 게이트 전압은 일정하므로 게이트-소오스간 전압이 낮아져 전류를 감소 시키는 동작을 통하여 드레인 전류의 변동을 줄이는 효과를 가진다. 이러한 안정화 회로는 소오스단에 바이어스 안정화용 저항(213)과 병렬로 용량이 큰 캐패시터(214)를 연결하여야만 증폭도의 저하를 막을 수 있어 집적회로의 면적을 차지하는 단점이 있으며 저전압 동작에서는 소오스 전압이 높아서 출력 전력을 감소시키는 원인이 된다.
도 3은 위에서 설명한 궤환형 회로와는 달리 증폭 회로 외부에 바이어스 회로를 구성하고 이 회로로부터 증폭용 트랜지스터의 게이트 전압을 공급하는 전류 복재형 바이어스 회로이다. 이 회로는 기준 전압 발생용 트랜지스터(341)에 특정 전류를 흘리기 위한 저항(342)을 전원에 직렬로 연결하고 이때의 게이트 전압을 증폭용 트랜지스터(301)의 게이트에 공급하는 방식으로 증폭용 트랜지스터(301)로 흐르는 전류는 기준 전압 발생용 트랜지스터(341)와 증폭용 트랜지스터(301)의 게이트폭 비율을 조정함으로써 쉽게 결정할 수 있다. 이러한 회로가 정상적으로 동작하기 위해서는 기준 전압 발생용 트랜지스터(341)의 드레인-소오스 전압이 포화 전압(1 V 정도) 이상에서 동작 하여야 하지만 도 3에 도시된 회로는 0.3 ∼ 0.4 V 에서 동작하고 있어 소자 변수의 변동에 따른 안정도가 떨어진다.
본 발명은 고주파 집적회로 등의 제조 공정중에 발생하는 소자 변수의 변동, 전원 전압 및 온도 변화에 따른 증폭용 트랜지스터의 전류 변동을 최소화 하기 위한 바이어스 안정화 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이어스 안정화 회로는, 증폭용 트랜지스터에 게이트 전압을 공급하기 위하여 기준 전압 발생용 트랜지스터를 이용한 게이트 전압 발생 회로를 구성하되, 상기 기준 전압 발생용 트랜지스터의 드레인 단자와 상기 기준 전압 발생용 트랜지스터의 게이트 단자 간에 연결된 레벨 이동 회로와, 기준 전류를 안정화 시키기 위하여 상기 기준 전압 발생용 트랜지스터의 드레인 단자와 전원 전압 단자 간에 공핍형 트랜지스터를 연결하되, 직렬 저항의 양쪽 끝을 상기 공핍형 트랜지스터의 소오스 단자와 게이트 단자에 각각 연결하여 구성한 정전류원 회로로 구성된 특징으로 한다.
도 1 내지 도 3은 종래의 기술에 의한 바이어스 안정화 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 바이어스 안정화 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 바이어스 안정화 회로의 또다른 실시 예.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
101, 201, 301 및 401 : 증폭용 트랜지스터
111, 112, 121, 211, 212, 213, 221, 311, 321, 342, 411, 421, 442, 445, 446, 511, 522, 541 및 542 : 저항
131, 132, 214, 231, 232, 331, 332, 431, 432, 531 및 532 : 캐패시터
341, 441 및 501 : 기준 전압 발생용 트랜지스터
443 : 공핍형 트랜지스터 444 : 드레인 접지용 트랜지스터
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 바이어스 안정화 회로도이다.
도 4에 도시된 것과 같이, 기준 전류를 결정하기 위해 공핍형 트랜지스터(443)의 소오스 단자에 직렬 저항(442)을 연결하고, 공핍형 트랜지스터(443)의 게이트 단자를 직렬 저항(442)의 다른 한쪽에 연결하여 정 전류원 특성이 나타나도록 한다. 공핍형 트랜지스터(443)의 드레인 단자와 게이트 단자는 외부와 연결하여 포화 전압 즉, 약 0.8 V 이상의 전압에서 일정한 전류가 흐르도록 한다. 이 정 전류원 회로를 전원 단자와 기준 전압 발생용 증가형 트랜지스터(441)의 드레인에 연결하면, 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 전류는 공핍형 트랜지스터(443)와 직렬 저항(442)으로 구성된 정 전류원의 전류와 같게 된다. 다음으로 레벨 이동 회로를 구성하는데, 이 때 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 게이트 전압은 드레인 접지형 트랜지스터(444)와 이 트랜지스터의 소오스 단자에 연결된 두개의 저항(445 및 446)으로 구성된 전압 분배 회로를 이용하여 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 드레인 단자에서 궤환 되어 연결되며, 이 때의 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 게이트 전압은 외부 회로의 증폭용 트랜지스터(401)의 게이트 전압으로 공급된다. 드레인 접지형 트랜지스터(444)를 이용한 회로는 게이트 전압이 높아지면 트랜지스터의 전류가 증가하고 이에 따라 소오스에 연결된 저항 양단에 전압이 증가하여 소오스 전압이 높아지게 된다. 따라서 드레인 접지형 트랜지스터(444)의 게이트-소오스간 전압은 크게 변하지 않는다. 기준 전류 발생용 정 전류원 회로는 그 자체가 소오스단 저항(442)에 의해 전압 부궤환 특성을 가지고 있어서 공핍형 트랜지스터(443)의 특성 변화에 따른 전류의 변화는 미소하게 나타난다.
특성 변화에 의해 증가형 트랜지스터(441 및 401)의 전류가 증가하려 하면, 기준 전류 발생용 공핍형 트랜지스터(443)의 전류는 일정하기 때문에 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 드레인 전압이 낮아지면서 두 트랜지스터의 전류가 같아지려는 경향을 가진다. 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 드레인 전압이 낮아지려 하면 궤환 회로(444, 445, 및 446)을 통해 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 게이트 전압이 낮아지므로 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 전류가 감소하여 원래의 상태를 유지하게 되며, 이 때 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 게이트 전압 뿐 아니라 증폭용 트랜지스터(401)의 게이트 전압도 낮아지므로 증폭용 트랜지스터(401)의 전류도 안정화 된다.
도 3에 도시되었던 종래의 기술에 의한 전류 복재형 바이어스 회로에서는 단순히 저항(342)만을 이용하여 기준 전류를 결정하기 때문에 전원 전압의 변화에 따른 기준 전류의 변화가 있는 반면, 본 발명의 회로에서는 정 전류원 회로(443 및442)를 이용하여 기준 전류를 결정하기 때문에 전원 전압의 변동에 무관하게 일정한 전류를 흘릴 수 있다. 또한 종래의 기술에 의한 전류 복재형 바이어스 회로에서는 기준 전압 발생용 트랜지스터(341)의 드레인 전압이 낮아 드레인 전압에 따른 특성 변화가 심한 영역에서 동작하는 반면, 본 발명의 회로에서는 기준 전압 발생용 트랜지스터(441)의 드레인 전압이 높아 드레인 전압의 변화에 대한 전류 변화가 작은 영역에서 동작하기 때문에 트랜지스터의 특성 변화에 따른 전류변화가 작아지게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 바이어스 안정화 회로의 또다른 실시 예이다.
도 5의 회로는 바이어스 안정화 회로 자체를 증폭 회로로 사용하는 방식이며 바이어스 안정화 동작은 위에서 설명한 것과 같지만 기준 전압 발생용 트랜지스터(501)의 게이트 단자에 안정화 회로의 출력은 높은 값의 저항(511)을 통해 연결하고, 입력 신호는 직류 차단용 캐패시터(531)을 통해 연결함으로써 바이어스 안정화 기능과 증폭 기능을 동시에 할 수 있도록 구성한 회로이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제조 공정 상에서 발생하는 소자 변수의 변동에 따른 증폭용 트랜지스터의 드레인 전류를 안정화 시킴으로써 고주파 집적회로의 수율을 높이고 동작시 온도 변화에 따른 특성 변화를 최소화 하여 성능을 향상 시키는 한편 안정된 전류 복제형 바이어스 구조로 회로 설계를 용이하게 할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 증폭용 트랜지스터에 게이트 전압을 공급하기 위하여 기준 전압 발생용 트랜지스터를 이용한 게이트 전압 발생 회로를 구성하되,
    상기 기준 전압 발생용 트랜지스터의 드레인 단자와 상기 기준 전압 발생용 트랜지스터의 게이트 단자 간에 연결된 레벨 이동 회로와,
    기준 전류를 안정화 시키기 위하여 상기 기준 전압 발생용 트랜지스터의 드레인 단자와 전원 전압 단자 간에 공핍형 트랜지스터를 연결하되, 직렬 저항의 양쪽 끝을 상기 공핍형 트랜지스터의 소오스 단자와 게이트 단자에 각각 연결하여 구성한 정전류원 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 바이어스 안정화 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레벨 이동 회로는 드레인 단자가 전원 전압 단자에 연결되어 있는 드레인 접지형 트랜지스터 및 그 소오스 단자에 연결되어 있는 다수의 저항으로 구성된 전압 분배 회로가 기준 전압 발생용 드레인 단자에 궤환되게 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 바이어스 안정화 회로.
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